Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной Рэндалл Лиза
Стандартная модель физики элементарных частиц представляет в компактном виде наш нынешний взгляд на элементарные частицы и их взаимодействия (рис. 40)[43] Она включает в себя такие частицы, как верхние и нижние кварки и электроны, составляющие самую основу привычного вщества; помимо этого она содержит также немало других, более тяжелых частиц, которые участвуют в тех же взаимодействиях, но, как правило, не встречаются в природе (эти частицы мы можем тщательно изучить только в высокоэнергетических экспериментах на коллайдере). Большая часть составляющих Стандартной модели, в том числе и частицы, которые в настоящее время изучаются на БАКе, были достаточно надежно укрыты от человеческого взора, пока во второй половине XX в. хитроумные эксперименты и теоретические построения не извлекли их «на свет божий».
Экспериментальные установки ATLAS и CMS в Большом адронном коллайдере предназначены для обнаружения и распознавания частиц Стандартной модели. Настоящая цель, разумеется,
РИС. 40. Элементы Стандартной модели физики элементарных частиц с указанными массами. Показаны также отдельно частицы с правым и левым спином. Слабое взаимодействие, способное изменить тип частицы, действует только на левые частицы
состоит в том, чтобы выйти за пределы уже известного — отыскать новые элементы или взаимодействия, которые помогли бы разобраться в многочисленных загадках. Но для этого физики должны научиться без труда выделять фоновые события Стандартной модели и распознавать обычные, хорошо известные частицы, на которые могут распадаться в тех или иных условиях неведомые экзотические частицы. Экспериментаторы БАКа похожи на детективов, которые анализируют имеющиеся данные, чтобы соединить их в единую картину и понять, что здесь было прежде. Чтобы обнаружить чтото новое, необходимо сначала исключить из картины все известные элементы.
Познакомившись с конструкцией двух основных универсальных детекторов БАКа, мы теперь вновь наведаемся на коллайдер и постараемся разобраться в том, как физики распознают отдельные частицы. Некоторое знакомство с современным состоянием физики элементарных частиц и методов обнаружения частиц Стандартной модели будут полезны и при обсуждении научного потенциала БАКа в части IV.
В ПОИСКАХЛЕПТОНОВ
Специалисты по физике элементарных частиц делят частицы Стандартной модели на две категории. Частицы первого типа известны как лептоны.
В эту категорию попадают частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. В первую очередь это электроны; в Стандартной модели присутствуют также две более тяжелые версии электрона, обладающие таким же зарядом, но гораздо большей массой, — мюон и тау–лептон. Оказывается, имеется три, обладающих одинаковым зарядом варианта каждой из встречающихся нам в повседневной жизни частиц Стандартной модели; при этом каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Мы не знаем, почему таких вариантов именно три. Говорят, что лауреат Нобелевской премии по физике 1944 г. Исидор Айзек Раби, услышав о существовании мюона, воскликнул в изумлении: «Кто заказывал?»
Самые легкие лептоны обнаружить проще всего. Хотя и электроны, и фотоны отдают энергию в электромагнитном калориметре, различить их легко: электрон имеет электрический заряд, а фотон — нет. Из этих частиц только электрон, прежде чем отдать энергию калориметру ECAL, оставляет трек во внутреннем детекторе.
Распознать мюоны тоже относительно легко. Подобно всем остальным тяжелым частицам Стандартной модели, мюоны распадаются так быстро, что в обычном веществе их обнаружить невозможно, и вне эксперимента мы на Земле их почти не видим. Однако мюоны живут все же достаточно долго, чтобы успеть добраться до внешних слоев детектора. Поэтому они оставляют за собой длинные, ясно различимые треки, и экпериментаторы могут проследить их путь сквозь все слои от внутреннего детектора до внешних мюонных камер. Мюоны — единственные частицы Стандартной модели, способные добраться до внешних детекторов и оставить в них видимый след, поэтому распознать и выделить их несложно.
Тау–частицы, хотя они и заметны, обнаружить уже не так просто. Тау–частица представляет собой заряженный лептон, подобный электрону и мюону, но превосходит то и другое по массе. Как и большинство тяжелых частиц, она нестабильна; это значит, что тау–частица распадается, оставляя после себя группу других частиц. Любая тау–частица стремительно распадается на легкий заряженный лептон и две частицы под названием нейтрино или на одно нейтрино и частицу под названием пион, участвующую в сильном взаимодействии. Экспериментаторы изучают продукты распада — частицы, на которые распалась первоначальная нестабильная частица, — чтобы определить, не было ли на их месте тяжелой нестабильной частицы, и если таковая была, то какими свойствами обладала. Сам тау–лептон не оставляет трека, но по информации о продуктах распада, которые регистрирует экспериментальная установка, можно распознать эту частицу и ее свойства.
Электрон, мюон и еще более тяжелый тау–лептон имеют одинаковые заряды, равные -1 и противоположные заряду положительно заряженного протона. Кроме того, в коллайдерах рождаются античастицы, соответствующие этим заряженным лептонам, — позитрон, антимюон и антитау–лептон. Эти античастицы имеют заряд +1 и оставляют в детекторах треки, похожие на треки соответствующих частиц, но изза противоположного заряда в магнитном поле они отклоняются в противоположную сторону.
Кроме только что описанных трех типов заряженных лептонов Стандартная модель содержит нейтрино — очень легкие лептоны, не несущие никакого электрического заряда. Если три заряженных лептона участвуют как в электромагнитном, так и в слабом взаимодействии, то нейтрино заряда не имеют и потому нечувствительны к электрическим силам. До 1990–х гг. экспериментальные результаты указывали, что нейтрино имеют нулевую массу. Одним из интереснейших открытий того десятилетия стало обнаружение у нейтрино чрезвычайно малой, но неисчезающей массы покоя; это показало, что Стандартная модель физики частиц неполна.
Хотя нейтрино — очень легкие частицы и, соответственно, попадают в энергетический диапазон любого коллайдера, их невозможно непосредственно обнаружить на БАКе. Не имея электрического заряда, они очень неохотно вступают во взаимодействие с веществом — настолько неохотно, что человек, тело которого каждую секунду пронизывает более 50 трлн солнечных нейтрино, может узнать об этом, только если ему ктонибудь расскажет.
Несмотря на невидимость нейтрино, физик Вольфганг Паули предсказал их существование в качестве «отчаянной меры», пытаясь объяснить, куда девается энергия при распаде нейтронов. Долгое время казалось, что в этом процессе нарушается закон сохранения энергии, потому что протон и электрон, которые удавалось обнаружить на месте распада нейтрона, вместе не давали полной энергии, которой прежде обладал нейтрон. Даже известные физики, такие как Нильс Бор, в то время готовы были поступиться принципами и признать, что энергия может теряться безвозвратно. Паули оказался верен известным физическим принципам и предположил, что энергия все же сохраняется, просто экспериментаторы не могут увидеть ту электрически нейтральную частицу, которая уносит с собой недостающую ее часть. Он оказался прав.
Паули назвал свою гипотетическую на тот момент частицу нейтроном, но позже это название оказалось занято — его использовали для обозначения составной части атомного ядра, нейтрального партнера протона. Так что Энрико Ферми — итальянскому физику, разработавшему теорию слабых взаимодействий (хотя публика лучше знает его как одного из создателей первого ядерного реактора) — пришлось дать этой частице забавное имя нейтрино, что по–итальянски означает «нейтрончик». Конечно, нейтрино — никакой не нейтрон, но, подобно нейтрону, эта частица не несет на себе электрического заряда. С другой стороны, нейтрино действительно много легче нейтрона.
Нейтрино, как и всех других частиц Стандартной модели, существует три типа. Каждому заряженному лептону — электрону, мюону и тау–частице — соответствует свое нейтрино, с которым названная частица взаимодействует посредством слабого взаимодействия[44].
Мы уже говорили о том, какможно обнаружить электроны, мюоны и тау–частицы, так что остается только разобраться, как экспериментаторы обнаруживают нейтрино. Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда и неохотно вступают во взаимодействие, они вылетают из детектора прочь, не оставляя никакого следа. Как же ученым БАКа определить, что нейтрино там вообще были?
Импульс (при медленном движении он равен произведению массы на скорость, но при скоростях частиц, близких к скорости света, его удобнее описать как сгусток энергии, движущийся в определенном направлении) сохраняется в проекции на любое направление. Как и в случае с энергией, до сих пор ученым не удалось обнаружить никаких свидетельств того, что импульс может безвозвратно теряться. Так что если суммарный импульс частиц, зарегистрированных детектором, меньше, чем вошедший туда импульс, это означает, что какаято другая частица (или частицы) сумела улизнуть, унося с собой недостающую часть. Именно такая логика позволила Паули сделать вывод о существовании нейтрино (в его случае — при ядерном бета–распаде); именно таким образом мы и по сей день узнаем о присутствии этих слабо взаимодействующих и почти невидимых частиц[45].
В адронных коллайдерах экспериментаторы измеряют все импульсы в поперечных к пучку направлениях, суммируют и смотрят, весь ли импульс на месте. Они рассматривают только поперечные направления, потому что в продольных направлениях полный импульс зарегистрировать намного труднее — ведь немалая его часть уносится частицами, продолжающими движение по трубке пучка. Импульс, перпендикулярный направлению движения первоначального протонного пучка, измерить и учесть проще.
Суммарный поперечный импульс сталкивающихся в коллайдере частиц практически равен нулю; нулю, соответственно, должен равняться и суммарный поперечный импульс возникших в результате столкновения частиц. Поэтому, если измерения идут вразрез с ожиданиями, экспериментаторы могут смело заключить, что чегото не хватает. Остается только разобраться, какая это была из множества потенциально возможных невзаимодействующих частиц. Для обычных процессов Стандартной модели ответ известен заранее: незарегистрированными останутся нейтрино. Исходя из известных характеристик слабого взаимодействия (мы поговорим о нем чуть позже), в котором участвуют нейтрино, физики проводят расчет и прогнозируют частоту их появления. Кроме того, физики уже знают, как должен выглядеть распад W–бозона, — к примеру, одиночный электрон или мюон с поперечным импульсом, соответствующим по энергии примерно половине массы W–бозона, представляет собой чрезвычайно редкое явление и свидетельствует именно об этом. Поэтому, исходя из закона сохранения импульса и теоретически рассчитанной входной величины, нейтрино можно «вычислить». Естественно, у этих частиц меньше идентифицирующих «ярлычков», чем у тех, что мы наблюдаем непосредственно. Об их присутствии можно судить лишь по комбинации теоретических соображений и измеренной величине недостающей энергии.
Очень важно помнить об этом, рассматривая новые открытия. Примерно такие же рассуждения позволяют судить о присутствии и других новых частиц, не несущих заряда или несущих заряд настолько слабый, что их невозможно обнаружить непосредственно. Только недостаток суммарной энергии вкупе с теоретическим расчетом входных параметров позволяет судить, что происходило на самом деле и какие «действующие лица» сумели ускользнуть незамеченными. Вот почему так важна герметичность детектора для регистрации как можно большей доли поперечного импульса.
В ПОИСКАХ АДРОНОВ
Мы рассмотрели лептоны (электроны, мюоны, тау–частицы и ассоциированные с ними нейтрино). Оставшаяся категория частиц Стандартной модели носит название адроны — это частицы, участвующие в сильном взаимодействии. В эту категорию входят все частицы, состоящие из кварков и глюонов, такие как протоны, нейтроны и частицы под названием пионы. Адроны имеют внутреннюю структуру — это связанные состояния кварков и глюонов, удерживаемых вместе посредством сильного взаимодействия.
Однако в Стандартной модели вы не найдете всех возможных связанных состояний. В нее вошли наиболее фундаментальные частицы, которые, объединяясь, собственно и образуют адронные состояния: а именно кварки и глюоны. Помимо верхних и нижних кварков, обитающих внутри протонов и нейтронов, существуют более тяжелые кварки под названиями очарованный и странный, истинный и красивый. Как и у лептонов, более тяжелые кварки соответствуют по заряду своим легким партнерам — верхнему и нижнему кварку. Тяжелые кварки, как и тяжелые лептоны, непросто обнаружить в природе. Для их изучения тоже нужны коллайдеры.
Адроны (участвующие в сильном взаимодействии) при столкновениях частиц ведут себя совсем не так, как лептоны (которые в нем не участвуют). Дело в первую очередь в том, что кварки и глюоны взаимодействуют настолько сильно, что никогда не появляются в одиночестве. Они всегда в струе, которая, может, и содержит нужную частицу, но в которой обязательно присутствует и куча других частиц, тоже участвующих в сильном взаимодействии. Струи, вообще говоря, содержат не отдельные частицы, а россыпь частиц, связанных сильным взаимодействием и как бы «защищающих» исходную частицу (рис. 41). Даже если при первоначальном событии ничего подобного не было, сильное взаимодействие породит из одного–единственного исходного кварка или глюона струю из множества новых кварков и глюонов.
Протонные коллайдеры порождают множество струй, поскольку сами протоны состоят из частиц, связанных сильным взаимодействием. Такие частицы порождают россыпь из множества дополнительных частиц, связанных сильным взаимодействием и путешествующих рядом с ними. Иногда они также создают кварки и глюоны, которые разлетаются в разных направлениях и порождают собственные независимые струи.
В книге «Закрученные пассажи» я привела цитату из «Песни ракет»[46] из мюзикла «Вестсайдская история». Мне кажется, она хорошо описывает и адронные струи:
- Ты никогда не бываешь один,
- Ты никогда не теряешь связи,
- Ты дома везде, где рядом друзья:
- Ты защищен надежно,
- Когда ожидается встреча.
Кварки, как и большинство членов уличных банд, по одному не ходят, они всегда находятся в дружественной, прочно связанной среде — среди своих.
Струи, как правило, оставляют видимые следы, поскольку некоторые частицы в них заряжены. Достигнув калориметра, струя отдает свою энергию. При помощи тщательных экспериментальных исследований, а также аналитических и компьютерных расчетов экспериментаторы выясняют свойства адронов, положивших начало каждой конкретной струе. И все же изза сильного взаимодействия и струй кварки и глюоны исследовать намного сложнее. В конце концов, вы не можете измерить кварк или глюон непосредственно, вы меряете лишь струю, частью которой он является. Именно поэтому большинство кварковых и глюонных струй не различимы между собой. Все они выделяют много энергии и оставляют множество треков (на рис. 42 можно увидеть схематическое изображение того, как детекторы распознают ключевые частицы Стандартной модели).
РИС. 41. Струи представляют собой летящие группы частиц, связанных сильным взаимодействием, возникающим вокруг кварков и глюонов. На рисунках показана их регистрация в трекерах и адронном калориметре. (Печатается с разрешения CERN’a.)
Даже после измерения свойств адронной струи очень трудно, если не невозможно, сказать, который из различных кварков или глюонов ее инициировал. Красивый кварк (Ь–кварк) — самый тяжелый кварк с тем же зарядом, что у нижнего кварка (и тем же, что у среднего по массе странного) — исключение из правила. Причина в том, что красивый кварк живет достаточно долго и успевает пролететь некоторое расстояние до распада. При этом расстояние невелико: распад происхдит внутри трекера. Действительно: если частицы распадаются практически мгновенно после рождения, поэтому создается впечатление, что продукты их распада начинают свои треки непосредственно в точке взаимодействия, где столкнулись протоны. Красивые кварки, в отличие от других, живут достаточно долго (примерно полторы пикосекунды; этого хватает, чтобы пройти со скоростью света, с которой они летают, примерно полмиллиметра), чтобы начать трек на вполне различимом расстоянии от точки взаимодействия. Внутренние кремниевые детекторы регистрируют этот смещенный узел траектории, как показано на рис. 43.
РИС. 42. Обобщенная картина того, как частицы Стандартной модели распознаются в детекторах. Нейтральные частицы не оставляют следа в трекерах. Как заряженные, так и нейтральные адроны могут оставлять некоторое количество энергии в ECAL, но большую часть энергии выделяют в HCAL. Мюоны пролетают насквозь до внешнего детектора
Когда экспериментаторы восстанавливают трек от распада красивого кварка, то в обратном направлении он не приходит в точку взаимодействия—центр события. Вместо этого создается впечатление, что трек начинается в той точке внутреннего трекера, где распался красивый кварк; в этой точке наблюдается перегиб — переход от траектории прилетевшего туда красивого кварка и улетевших дальше продуктов распада[47]. Благодаря тончайшей сегментации кремниевых детекторов экспериментаторы имеют возможность рассматривать область, прилегающую к пучку, очень подробно и в значительном числе случаев успешно распознавать красивые кварки.
РИС. 43. Адроны, «сделанные» из красивых кварков, живут достаточно долго, чтобы оставить видимый трек в детекторе, прежде чем рассыпаться на другие заряженные частицы. При этом в кремниевом детекторе может образоваться перегиб трека, по которому, собственно, и распознают красивые кварки. На рисунке показан распад истинных кварков
Еще один тип кварка, выделяющийся среди прочих в экспериментальном плане, — истинный кварк (t–кварк); своей особостью он обязан большой массе. Истинный кварк—самый тяжелый из тех трех кварков, заряд которых равен заряду верхнего кварка (третий кварк этой группы называется очарованным). Истинный кварк примерно в 40 раз тяжелее красивого — самого тяжелого кварка с зарядом другого знака — и более чем в 30000 раз тяжелее верхнего кварка, обладающего таким же зарядом.
Истинные кварки достаточно тяжелы, чтобы продукты их распада оставляли различимые треки. При распаде более легких кварков продукты распада, как и первоначальная частица, движутся со скоростями, очень близкими к скорости света, и потому сливаются как будто в единую струю, даже если начало ей положили две или более отдельные частицы. С другой стороны, истинные кварки, если только они не чрезмерно энергичны, наблюдаемо распадаются на красивые кварки и W–бозоны (заряженные слабые калибровочные бозоны); наличие того и другого наглядно свидетельствует о присутствии истинного кварка. Считается, что благодаря своей массе истинный кварк наиболее тесно взаимодействует с частицей Хиггса и другими частицами, вовлеченными в физику слабых взаимодействий, в которой мы надеемся в скором времени разобраться. Свойства истинных кварков и их взаимодействий могут оказаться полезны для понимания фундаментальных физических теорий, на которых основана Стандартная модель.
В ПОИСКАХ ПЕРЕНОСЧИКОВ СЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Прежде чем закончить разговор о том, как распознаются частицы Стандартной модели, рассмотрим последнюю их группу — слабые калибровочные бозоны: два W и один , переносящие слабое ядерное взаимодействие. Слабые калибровочные бозоны отличаются той особенностью, что, в отличие от фотонов и глюонов, имеют ненулевую массу покоя. Надо сказать, что наличие массы у слабых калибровочных бозонов — частиц, передающих слабое взаимодействие — представляет собой достаточно серьезную фундаментальную загадку. Происхождением своим эти массы — как и массы других элементарных частиц, о которых говорилось в этой главе — обязаны механизму Хиггса, к которому мы перейдем в самом ближайшем будущем.
Изза своей тяжести W- и –бозоны долго не живут; они распадаются. Это значит, что слабые калибровочные бозоны, подобно истинным кваркам и другим тяжелым нестабильным частицам, можно распознать только через наблюдение за частицами, рождающимися в процессе распада. А поскольку любые новые тяжелые частицы тоже, вероятно, окажутся нестабильными, мы попробуем на примере распада слабых калибровочных бозонов показать еще одно интересное свойство распадающихся частиц.
W–бозон взаимодействует с любыми частицами, чувствительными к слабому взаимодействию (то есть со всеми частицами, о которых до сих пор шла речь). Это дает W–бозону множество вариантов распада. Он может распасться на любой заряженный лептон (электрон, мюон или тау–частицу) и соответствующее ему нейтрино. Его распад может также породить пару кварков — верхний и нижний или очарованный и странный, как показано на рис. 44.
РИС. 44. W–бозон может распасться на любой заряженный лептон и соответствующее ему нейтрино, или на верхний и нижний кварки, или на очарованный и странный кварки. На самом деле в кварковом секторе имеется смешивание, так что W–бозон может иногда распадаться в кварки разных поколений
Возможные варианты распада, помимо всего прочего, зависят от массы исходной частицы. Дело в том, что продукты распада частицы в сумме должны давать массу, меньшую, чем масса исходной частицы. Так, хотя W–бозон вполне способен взаимодействовать с истинным и красивым кварками, распасться на них он не может, так как масса истинного кварка больше массы W–бозона[48].
Рассмотрим распад W–бозона на два кварка, поскольку в этом случае экспериментаторы могут измерить оба продукта распада (в случае лептона и нейтрино это не так, потому что нейтрино не посредственно не обнаруживается). По закону сохранения энергии и импульса суммарная энергия и импульс конечных кварков равны энергии и импульсу распавшейся частицы, то есть W–бозона.
В этот момент, однако, вмешиваются специальная теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, и ситуация становится более интересной. Специальная теория относительности говорит нам о том, как соотносятся масса, энергия и импульс. Большинству людей знаком сокращенный вариант формулы Е = mc2. Эта формула верна для частиц в состоянии покоя; здесь т интерпретируется как т0 — неисчезающая масса покоя частицы, изначально ей присущая. Если частица движется, у нее имеется импульс, и на сцене появляется более полная формула: Е2–р2с2 = т02с2. По этой формуле[49] экспериментаторы могут вычислить массу частицы даже в том случае, если сама она давно распалась. Для этого достаточно измерить суммарный импульс и энергию продуктов распада и, применив это уравнение, вычислить массу первоначальной частицы.
Причина, по которой в этой истории фигурирует квантовая механика, несколько тоньше. Если наблюдать со стороны, то масса частицы не всегда равняется в точности ее реальной и истинной массе. Частицы способны распадаться, а квантово–механическое уравнение неопределенности говорит нам, что для точного измерения энергии необходимо бесконечное время; это значит, что энергию частицы, имеющей ограниченный срок жизни, вообще невозможно знать точно. Величина возможной ошибки тем больше, чем быстрее распадается частица и чем меньше время ее жизни. Следовательно, в любом конкретном измерении можно получить значение массы, близкое, но не равное ее истинному среднему значению. Только проведя множесто измерений, экспериментаторы могут выяснить одновременно массу—наиболее вероятную ее величину, к которой сходится среднее значение — и время жизни, поскольку именно продолжительность существования частицы до распада определяет разброс измеренных масс (рис. 45). Это верно не только для W–бозона, но и для любой другой распадающейся частицы.
РИС. 45. Измерения массы нестабильной частицы концентрируются вокруг ее истинной массы, но допускают некоторый разброс в зависимости от времени жизни. На рисунке показана соответствующая зависимость для калибровочного W–бозона
Разобравшись в полученных измерительных данных при помощи описанных в этой главе методов, экспериментаторы могут обнаружить какуюнибудь частицу Стандартной модели (см. на рис. 46 сводку частиц Стандартной модели и их свойств)[50], а может, и чтонибудь совершенно новое. Ученые надеются получить на БАКе новые экзотические частицы, которые помогут глубже проникнуть в фундаментальную природу вещества или даже Вселенной в целом. В следующей части книги мы рассмотрим некоторые интересные возможности.
РИС. 46. Частицы Стандартной модели, организованные по типу и массе. В серых кружочках (иногда внутри квадратиков) приведены массы частиц. Число внутри стрелочек, образующих дуги, обозначает величину спина данной частицы. Мы видим здесь загадочное разнообразие элементов Стандартной модели
Часть IV. МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
ГЛАВА 15. ИСТИНА, КРАСОТА И ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ЗАБЛУЖДЕНИЯ
В феврале 2007 г. физик–теоретик и нобелевский лауреат Мюррей Гелл–Манн выступил на конференции TED («Технологии, развлечения, дизайн») в Калифорнии, где раз в год собираются лидеры науки, техники, литературы, индустрии развлечений и других инновационных сфер, чтобы поделиться новыми достижениями и взглядами по самым разным вопросам. Выступление Мюррея было встречено продолжительной овацией; посвящено оно было истине и красоте в науке. Основную мысль выступления лучше всего можно передать его собственными словами, повторившими мысль Джона Китса: «Истина — это красота, а красота — это истина».
У Гелл–Манна были серьезные причины верить в это заявление. Сам он совершил наиболее значительные из своих открытий, принесшие ему в конце концов Нобелевскую премию, в процессе поиска фундаментального принципа, позволяющего элегантно «обуздать» хаос данных, накопленных учеными в 1960–е гг. Опыт Мюррея говорил о том, что поиск красоты привел его к истине.
Никто в аудитории не оспорил это громкое заявление. В конце концов, большинству людей нравится думать, что красота и истина неразделимы и что поиск одного чаще всего приводит к другому. Но мне, признаюсь, это утверждение всегда представлялось несколько неоднозначным. Конечно, всем хотелось бы верить, что в основе великих научных теорий лежит красота и что истина всегда эстетически прекрасна. Но ведь красота, по крайней мере отчасти, — понятие субъективное и не может быть надежным арбитром истины.
Если бы истина и красота были эквивалентны, выражение «неприглядная истина» в языке никогда бы не возникло. Пусть эти слова не связны напрямую с наукой; очевидно тем не менее, что то, что мы наблюдаем вокруг себя, не всегда красиво. Коллега Дарвина Томас Гекели прекрасно сформулировал это ощущение: «Наука — это исключительно здравый смысл, где множество красивых теорий пало под напором безобразных фактов».
Дополнительно осложняет ситуацию то, что физикам приходится признать: далеко не все наблюдаемые элементы Вселенной красивы. Мы видим вокруг путаницу явлений и целый зоопарк частиц, в которых хотелось бы разобраться. В идеале физики с огромным удовольствием нашли бы какуюнибудь простую теорию, которая объяснила бы все наблюдения при помощи небольшого числа правил и еще меньшего — фундаментальных ингредиентов. Но, даже посвятив себя поискам простой и элегантной объединяющей теории, при помощи которой можно было бы прогнозировать результат любого эксперимента в физике элементарных частиц, ученый понимает: если ему и удастся найти такую теорию, потребуется еще многое сделать, чтобы согласовать ее с окружающим миром.
Вселенная сложна. Как правило, непросто подогнать простую лаконичную формулировку под далеко не простой окружающий мир. Случается, что дополнительные элементы разрушают всю красоту первоначально предложенной формулы, — точно так же, как поправки к законам часто ставят с ног на голову прекрасные намерения авторов законопроектов.
Но как же, зная об ожидающих всюду потенциальных ловушках, ученые все же умудряются расширять пределы человеческих знаний? Как нам удается интерпретировать неизвестные до сего момента явления? Эта глава посвящена идее красоты и роли эстетических критериев в науке, а также преимуществам и недостаткам красоты как критерия истины. Кроме того, в ней говорится о модели познания мира и уделяется внимание эстетическим критериям при попытках предсказать наше дальнейшее развитие.
КРАСОТА
Недавно один художник в разговоре со мной с юмором заметил, что современные ученые едва ли не чаще, чем современные художники, объявляют своей целью красоту. Конечно, художники не отказались от эстетических критериев, но тем не менее часто говорят об открытиях и изобретениях при обсуждении своих работ.
Но, несмотря на значение, которое многие ученые придают элегантности, они нередко по–разному оценивают ее. Точно так же,, как вы с соседом можете не сойтись во мнениях относительно какогонибудь современного художника, такого как Дэмьен Херст, разные ученые по–разному воспринимают одни и те же аспекты своей науки.
Я, как и мои единомышленники, предпочитаю искать фундаментальные принципы, которые раскрывали бы связи между совершенно независимыми на первый взгляд наблюдаемыми явлениями. Большинство моих коллег занимается тем, что разбирает при помощи конкретных разрешимых теорий и связанного с ними сложного математического аппарата так называемые модельные задачи (то есть задачи, не связанные с реальными физическими условиями). Возможно, позже эти задачи (и решения) найдут себе применение в связи с какимито наблюдаемыми физическими событиями, а может быть, и нет. Другие физики предпочитают сосредоточиться на одних только теориях с четким и элегантным аппаратом; такие теории дают множество экспериментальных прогнозов, которые можно систематизировать и просчитывать.
Интересные принципы, высшая математика и сложные численные модели — все это составные части физической науки. Большинство ученых ценит их все, но каждый из нас выбирает собственные приоритеты исходя из того, что ему больше всего нравится делать — или какой путь с наибольшей вероятностью приведет к научным результатам. В самом деле, часто мы выбираем свой подход в соответствии с тем, какой метод лучше всего соответствует нашим уникальным склонностям и талантам.
Представления о красоте меняются со временем, и не только в искусстве. Собственная специализация Мюррея Гелл–Манна — квантовая хромодинамика — хороший тому пример.
Выводы Гелл–Манна о законах сильного взаимодействия были сделаны на основании блестящей догадки о том, как организовать множество частиц, которые в 1960–е гг. открывали одну за другой, в разумную структуру, которая объяснила бы их многочисленность и разнообразие. Он предположил существование еще более фундаментальных элементарных частиц, известных сегодня как кварки, обладающих новым видом заряда — цветовым. В этом случае ядерному взаимодействию должны быть подвержены все объекты, обладающие этим зарядом; оно же должно удерживать кварки с образованием нейтральных объектов — точно так же, как электрическая сила связывает электроны с заряженными ядрами в нейтральные атомы. Если это так, то все открываемые частицы можно рассматривать как связанные состояния этих кварков — как составные объекты с нулевым уммарным цветовым зарядом.
Гелл–Манн понял, что если существует три типа кварков, каждый со своим цветовым зарядом, то из них сможет образоваться множество нейтральных («белых») связанных состояний. И это множество состояний должно соответствовать (и действительно соответствует) массе частиц, которые ученые находили тогда едва ли не каждую неделю. Таким образом, Гелл–Манн нашел красивое объяснение тому, что прежде казалось необъяснимым хаосом всевозможных частиц.
Однако, когда Мюррей и независимо от него физик (а позже нейробиолог) Джордж Цвейг опубликовали свою идею, многие даже не восприняли ее как настоящую научную теорию. Физика элементарных частиц исходит из того, что частицы на большом расстоянии не взаимодействуют — как следствие, мы можем рассчитать конечные эффекты взаимодействий, которые возникают при сближении. В таком контексте любое взаимодействие можно полностью представить как влияние локальных сил, которые проявляются лишь тогда, когда взаимодействующие частицы сближаются.
В то же время сила, о которой писал Гелл–Манн, становилась тем сильнее, чем дальше частицы находились друг от друга. Это означало, что кварки взаимодействуют всегда, даже если расстояние между ними очень велико. По общепринятым тогда критериям догадка Гелл–Манна не подходила даже на роль теории, которую можно использовать для достоверных вычислений. Поскольку кварки взаимодействуют всегда, любое их состояние — даже так называемое асимптотическое, когда кварк находится на значительном удалении от любого объекта — описывается очень сложно. И асимптотические состояния, постулированные в новой теории, были вовсе не тем же самым, что простые частицы, которые хотелось бы видеть в результате теоретического расчета. Разве это не отказ от красоты в пользу уродства?
Первоначально никто не знал, как организовать вычисления всех этих сложных состояний, связанных сильным взаимодействием. Однако современные физики относятся к сильному взаимодействию совершенно иначе. Мы теперь понимаем его намного лучше, чем в те времена, когда была впервые высказана эта идея. За разработку концепции «асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий» Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек были удостоены Нобелевской премии. Согласно их расчетам, сила взаимодействия велика лишь при низких энергиях. При высоких энергиях ядерное взаимодействие лишь ненамного сильнее других типов взаимодействия, и расчеты дают ровно то, что ожидалось. Более того, некоторые физики сегодня считают теории, подобные теории сильного взаимодействия, единственными по–настоящему проработанными, — ведь сильное взаимодействие с ростом энергии быстро ослабевает, а не возрастает до бесконечности, как могло бы в противном случае.
Теория ядерного взаимодействия Гелл–Манна — интересный пример взаимосвязанности эстетических и научных критериев. Первоначально он стремился в основном к простоте. Но потребовалось немало научных расчетов и теоретических выкладок, прежде чем остальные ученые согласились с тем, что предложенная им теория красива.
Разумеется, этот пример не единственный. Во многих наших самых надежных теориях есть аспекты настолько на первый взгляд безобразные и неубедительные, что даже уважаемые и признанные ученые поначалу отвергали их. На квантовой теории поля, сочетающей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, основана вся физика элементарных частиц. Тем не менее итальянский физик и нобелевский лауреат Энрико Ферми (и не он один) поначалу отверг ее. Для Ферми проблема заключалась в том, что, хотя квантовая теория поля формализует и систематизирует все вычисления и позволяет делать верные прогнозы, при этом она пользуется такими вычислительными методами, которые даже многие сегодняшние физики считают слишком сложными. Некоторые аспекты этой теории действительно красивы. С другими ученым просто приходится мириться.
Эта история повторялась в науке не один и не два раза. Красивой теорию часто объявляют задним числом. Так, ядерное взаимодействие нарушает так называемую четность, то есть пространственную симметрию. Это означает, что частицы с левой киральностью взаимодействуют не так, как те, у которых киральность правая. Нарушение такой фундаментальной симметрии, как пространственная, представляется изначально тревожным. Тем не менее именно этой асимметрии мы обязаны существованием той линейки масс, которую видим вокруг себя, — а массы, в свою очередь, необходимы для жизни. Сначала асимметрия казалась отвратительной, но сегодня мы знаем, что она необходима. «Безобразное» само по себе нарушение пространственной симметрии ведет к «красивым» объяснениям более сложных явлений, без которых вещество в окружающем нас мире было бы невозможно.
Красота не абсолютна. Теория, симпатичная ее создателю, комуто другому может показаться громоздкой или путаной. Иногда я остро ощущаю красоту только что придуманной гипотезы — в основном потому, что знаю все прочие идеи, которые выдвигали другие ученые до меня и которые не оправдали надежд. Но даже то, что лучше предыдущих попыток, не обязательно красиво. Мне не раз случалось создавать модели, которые соответствовали этому критерию, но встречали скептицизм и непонимание со стороны коллег, менее знакомых с темой. Теперь мне кажется, что, возможно, лучший критерий хорошей идеи — то, что она способна понравиться даже человеку, который никогда специально не занимался этой проблемой.
Иногда, правда, верно и обратное: хорошие идеи отвергаются только потому, что кажутся авторам некрасивыми. Макс Планк не поверил в фотоны, хотя именно он начал логическую цепочку, которая завершилась в конце концов их изобретением. Эйнштейн считал, что расширяющаяся Вселенная, непосредственно вытекавшая из уравнений общей теории относительности, невозможна, отчасти потому, что она противоречила его эстетическим и философским представлениям. Ни одна из этих концепций, вероятно, в свое время не казалась особенно красивой. Но законам физики и Вселенной, в которой они действуют, нет до этого дела.
КАК ПОНРАВИТЬСЯ ВСЕМ
Учитывая непостоянную природу красоты, имеет смысл подумать о том, могут ли существовать в природе черты, способные сделать идею или образ объективно красивыми и привлекательными для всех без исключения. Возможно, основной вопрос здесь заключается в том, существуют ли вообще у человечества единые универсальные критерии красоты в любом контексте, будь то искусство или наука.
Никто пока не знает ответа на этот вопрос. В конце концов, красота неразрывно связана с художественным вкусом, а вкус — понятие субъективное. Тем не менее трудно поверить, что люди не имеют хоть какихто общих эстетических критериев. Я часто замечала поразительное единодушие людей в оценке произведений искусства на выставке — или даже в том, на какие выставки люди стремятся попасть. Разумеется, это ничего не доказывает, поскольку все они живут в одно время. Вообще, представления о красоте трудно выделить из конкретного культурного контекста или временного периода, в котором они сформировались; трудно отделить личную точку зрения от усвоенных представлений или суждений. В редких случаях люди могут сойтись в едином мнении о том, что чтото выглядит красиво или, напротив, безобразно. Но даже в этих немногочисленных случаях мнения не всегда сходятся относительно деталей.
Но, несмотря ни на что, некоторые эстетические критерии все же представляются универсальными. В любой школе по искусству обучение начинают с представлений о золотом сечении. Пример практического воплощения этого принципа — «Давид» Микеланджело в Академической галерее Флоренции. «Давид» очень грациозен и устойчив. Он никогда не упадет и не развалится на куски. Люди ищут равновесие и гармонию везде. Искусство, религия и наука — не исключение, они обещают человеку достижение всех этих качеств. Однако искусство производит сильное впечатление даже тогда, когда отвергает привычные представления о гармонии; пример тому — ранние скульптуры Ричарда Серра (рис. 47).
/i>
РИС. 47. Ранние скульптуры Ричарда Серра наглядно демонстрируют, что иногда искусство, нарушая равновесие, только выигрывает. (Опубликовано с разрешения: Ричард Ceppa/ArtistRightsSociety, Нью–Йорк.)
Симметрия также часто рассматривается как необходимая составляющая прекрасного, о чем свидетельствуют многочисленные памятники искусства и архитектуры. Система обладает симметрией, если ее можно изменить — повернуть, поменять части местами — так, что трансформированная система будет неотличима от первоначальной. Вероятно, гармоничностью симметричной системы объясняется тот факт, что она присутствует практически во всех религиозных символах. На рис. 48 вы видите христианский крест, иудейскую звезду, исламский полумесяц и буддистское колесо дхармы.
РИС. 48. Религиозные символы часто обладают симметрией
Особенно широко использует симметрию исламское искусство, где запрещены всякие антропоморфные образы; ему приходится полагаться в основном на геометрические формы. Великолепный пример — мавзолей Тадж–Махал в Индии. Мне не доводилось встречать людей, которые побывали бы в Тадж–Махале и остались равнодушны к его формам и симметрии. Дворец Альгамбра в южной Испании — яркое выражение мавританского искусства—также несет в себе интересные схемы симметрии; возможно, это одно из красивейших зданий, сохранившихся до наших дней.
Современное искусство, к примеру работы Эллсуорта Келли или Бриджет Райли, иногда демонстрирует симметрию геометрических форм. В архитектуре Шартрского собора и росписи потолка Сикстинской капеллы тоже искусно использована симметрия (рис. 49).
Однако произведение искусства, как правило, производит наиболее сильное впечатление тогда, когда его симметрия не полна.
РИС. 49. Архитектура Шартрского собора и свод Сикстинской капеллы воплощают в себе принцип симметрии
Японское искусство известно не только изяществом форм, но и очень тонким и взвешенным нарушением симметрии. В японских картинах и расписанных шелковых экранах всегда присутствует четкая ориентация, ведущая глаз зрителя по вполне определенному маршруту (вы можете убедиться в этом, взглянув на рис. 50).
РИС. 50. Японское искусство интересно отчасти своей асимметричностью
Простота — еще один критерий, иногда также связанный с симметрией и способный помочь в оценке красоты. Иногда простота основывается на симметрии, но внутренняя упорядоченность может присутствовать и там, где нет очевидной симметрии. Картины Джейсона Поллока при кажущейся хаотичности обладают внутренней простотой, основанной на плотности красок. Цветовые пятна на них кажутся случайно расположенными, но на самых знаменитых его картинах все цвета присутствуют в строгой гармонии.
Простота в произведении искусства может быть обманчивой. Я однажды попыталась скопировать несколько фрагментов Матисса — детали простейших его работ, написанных в те времена, когда художник был уже стар и слаб. Тем не менее, попытавшись воспроизвести их, я поняла, что эти работы не так уж просты — по крайней мере для моей неумелой руки. Простые элементы могут воплощать в себе более четкую структуру, чем представляется на первый, поверхностный, взгляд.
Во всяком случае, красота заключена не только в простых базовых формах. Некоторые признанные шедевры искусства, такие как работы Тициана или Рафаэля, представляют собой сложные полотна с множеством внутренних элементов. В конце концов, идеальная простота может оказаться отупляющей. Нам нужно чтото простое — но не настолько, чтобы быть скучным. Мир, судя по всему, устроен примерно так же.
КРАСОТА В НАУКЕ
Сформулировать эстетические критерии очень трудно. В науке, как и в искусстве, есть объединяющие темы, но нет абсолюта. Тем не менее эстетические критерии в науке полезны. Они помогают выявлять направление исследований, хотя и не дают гарантии успеха.
Эстетические критерии, применяемые в науке, похожи на те, что мы обрисовали для искусства. Симметрия, безусловно, играет в них важную роль. Интересно, что, как и в искусстве, симметрия в науке обычно относительна. Лучшие научные описания, как правило, отдают дань изяществу симметричных теорий, но предусматривают и нарушения симметрии, необходимые для корректного прогнозирования событий в окружающем нас мире. Нарушение симметрии обогащает концепции, к которым относится, и придает им дополнительные объяснительные возможности. И, как часто бывает в искусстве, теории, связанные с нарушением симметрии, могут быть куда красивее, чем те, что полностью сбалансированы.
Прекрасный пример тому — механизм Хиггса, отвечающий за массы элементарных частиц. Он красноречиво объясняет, как может быть нарушена симметрия, связанная со слабым взаимодействием. Мы еще не обнаружили бозон Хиггса — частицу, которая неопровержимо доказала бы верность этой концепции[51]. Но эта теория так красива, что большинство физиков уверены в том, что она верно описывает природу.
Простота — еще один важный субъективный критерий, который используют физики–теоретики. В глубине души все мы верим, что в основе сложных наблюдаемых явлений лежат простые правила и элементы. Поиск простых базовых элементов, из которых состоит все вокруг, начался отнюдь не вчера. Еще в Древней Греции Платон представлял себе идеальные объекты — геометрические формы — и идеальных существ, к которым земные объекты и существа могут лишь приблизиться. Религии тоже нередко постулируют существование более совершенных и цельных субстанций, не встроенных в реальность, но какимто образом с ней связанных. Даже история изгнания наших предков из Райского сада предполагает, что когдато мир был идеальным. Вопросы, к которым обращается современная физика, и ее методы очень отличаются от тех, что были у наших предков; тем не менее многие физики и сегодня заняты поисками простого объяснения Вселенной — не в философском или религиозном смысле, а в плане фундаментальных элементов, составляющих основу нашего мира.
Поиск базовой научной истины часто подразумевает поиск простых элементов, из которых можно объяснить сложные явления, наблюдаемые в мире. Такие исследования нередко включают в себя поиск моделей и организационных принципов. Большинство ученых считают перспективными только изящные и лаконичные гипотезы. Кроме того, точка с минимумом исходных данных имеет дополнительные преимущества: она обещает максимум предсказательной силы. Рассматривая новые гипотезы об основаниях Стандартной модели, мы, как правило, скептически относимся к моделям слишком громоздким.
Опять же, как в искусстве, физические теории могут быть просты сами по себе, а могут представлять собой сложные композиции, составленные из простых и предсказуемых элементов. Конечный результат, разумеется, не всегда получается простым, даже если просты исходные компоненты, а иногда и правила, которым они подчиняются.
Крайнее проявление подобных стремлений — поиск единой теории, которая состояла бы всего из нескольких простых элементов и подчинялась небольшому набору правил. Это амбициозная,. чтобы не сказать дерзкая, задача. Ясно, что на пути к достижению этой цели нас ждут очевидные препятствия, не позволяющие нам легко отыскать элегантную теорию, которая объяснила бы все без исключения наблюдаемые факты: в мире вокруг мы видим лишь малую часть того, что должна воплощать в себе такая теория. Единая теория, или теория всего, будучи простой и элегантной, должна обладать достаточной глубиной, чтобы охватывать все. Конечно, каждому хотелось бы верить в существование единственной простой и красивой теории, составляющей фундамент всей физики. Однако Вселенная не так чиста, проста и упорядочена, как наши теории. Даже если единая трактовка возможна, потребуется огромное количество исследований, чтобы связать ее со сложными явлениями, которые мы наблюдаем в окружающем мире.
Иногда в суждениях о красоте мы заходим слишком далеко. Наши стуенты любят пошутить в адрес профессоров, которые то и дело называют понятные ученым явления «тривиальными», вне зависимости от того, насколько те на самом деле сложны. Конечно, профессор хорошо знает ответ, и базовые элементы, и логику рассуждений, но студентыто в аудитории ничего этого не знают. Много позже, когда они научатся раскладывать задачу на простые составляющие, она и для них, возможно, станет тривиальной. Но сначала им придется попотеть.
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ
В науке, как и в жизни, не может быть единого критерия красоты. Есть только несколько интуитивных соображений и экспериментально установленных ограничений, которыми мы можем руководствоваться в поиске истины.
Но не будем заблуждаться, в конечном итоге лишь эксперимент определит, какая из научных гипотез верна, если среди них вообще есть верная. Возможно, в науке эстетические критерии и играют какуюто роль, но подлинный научный прогресс нуждается в глубоком понимании, прогнозировании и тщательном анализе данных. Любая гипотеза, как бы красиво она ни выглядела, может оказаться неверной — и тогда ее следует отбросить.
Но, прежде чем добраться до высоких энергий или гипотетических параметров, необходимых для получения верных физических описаний, физики вынуждены догадываться о том, что скрывается за Стандартной моделью, при помощи эстетических и теоретических соображений. Пока, обладая лишь ограниченными данными, мы определяем направление дальнейших исследований исходя из собственного вкуса и возможностей.
В идеале нам хотелось бы подробно рассмотреть последствия самых разных допущений. Делается это в науке при помощи моделирования. Мы с коллегами исследуем различные модели физики элементарных частиц — гипотезы о том, какие физические теории могли бы лежать в основе Стандартной модели. Наша цель — отыскать простые принципы организации сложных явлений, свидетелями которых мы являемся на более легкодоступных масштабах, и таким образом прояснить «белые пятна» наших представлений о мире.
При создании физических моделей ученые пытаются сбалансировать выводы, полученные с помощью общепринятой эффективной теории, и гипотетические представления о все более мелких масштабах. При этом мы используем подход «снизу вверх»: берем то, что нам известно, — и явления, которые уже получили объяснение, и те, что продолжают оставаться для нас загадкой, — и пытаемся дописать картину—вывести такую фундаментальную модель, которая объяснила бы связи между наблюдаемыми свойствами элементарных частиц и их взаимодействиями.
Понятие «модель» может подразумевать и некую физическую структуру—вспомните крохотные копии зданий, которые используются для демонстрации и проработки архитектурных решений. Речь может идти также о численном моделировании, при котором выясняются возможные последствия заданных (известных или предполагаемых) физических принципов, — вспомните моделирование изменений климата или модели распространения заразных заболеваний.
Моделирование в физике элементарных частиц сильно отличается от обоих названных подходов. Однако можно сказать, что модели элементарных частиц чемто напоминают моделей со страниц журналов и подиумов. Как на подиуме, так и в физике модели предназначены для демонстрации новых, иногда весьма причудливых, идей. Так же, как в мире моды, зрителей поначалу привлекают самые красивые — или по крайней мере самые яркие — модели, но в конце концов побеждают самые работоспособные и универсальные.
Этим сходство мира моды и науки исчерпывается.
Физические модели представляют собой предположения о том, что может лежать в основе теорий, которые уже проверены. При принятии решения о том, какие из идей наиболее перспективны и стоят дальнейшей проработки, трудно обойтись без эстетических критериев. Однако не менее важную роль при этом играют непротиворечивость и проверяемость этих идей. Модели описывают «глубинные» физические принципы, применимые на расстояниях и размерах, которые нам пока не удается экспериментально проверить. При помощи моделей мы можем прояснить для себя сущность и последствия различных теоретических предположений.
Модель — это средство экстраполяции; исходя из известного, мы строим предположения о более универсальных теориях, объясняющих максимально возможное число явлений в мире. Это лишь предположения, которые могут оправдаться или не оправдаться, когда эксперименты позволят нам наконец заглянуть в мир меньших размеров или более высоких энергий и на практике проверить заложенные в них гипотезы и предсказания.
Имейте в виду, что «теория» — это не то же самое, что «модель». Под словом теория я не подразумеваю свободных и ничем не ограниченных рассуждений, как часто бывает при обычном, бытовом использовании этого слова. Неотъемлемой частью любой теории являются известные физические законы, которым они подчиняются, то есть вполне определенный набор принципов со своими правилами и уравнениями, определяющими взаимодействие элементов.
Но даже если мы полностью понимаем некую теорию и ее следствия, то реализовать ее можно множеством разных способов и каждый из них предскажет свои физические следствия в реальном мире. Моделирование — это способ попробовать различные варианты.
Если представить теорию в программе PowerPoint, то модель — это ваша презентация. Теория допускает различные возможности, но вы используете только те из них, которые нужны для демонстрации вашей точки зрения. Теория покажет, где должен находиться заголовок, а где перечислены по пунктам свойства, но именно модель покажет все, что вы считаете нужным донести до аудитории.
Подход к построению моделей в физике меняется в соответствии с тем, ответы на какие вопросы ищут в настоящее время ученые. Физики всегда пытаются предсказать максимальное число физических величин на базе минимального количества начальных предположений, но это не означает, что самые фундаментальные теории рождаются на пустом месте.
В XIX в. физики неплохо представляли себе температуру и давление и умели применять эти понятия задолго до того, как было получено хоть какоето их объяснение на более фундаментальном микроскопическом уровне — как результат случайного движения большого числа атомов и молекул. В начале XX в. физики пытались строить модели, которые объяснили бы массу в терминах электромагнитной энергии. Эти модели, хотя и основывались на представлении о работе подобных систем, которое тогда разделяли многие ученые, тем не менее оказались неверны. Немного позже Нильс Бор построил модель атома, чтобы объяснить наблюдаемый спектр его излучения. Вскоре его модель уступила место более всеобъемлющей теории квантовой механики, которая впитала в себя основную идею Бора, но разработала ее на более высоком уровне.
Сегодня авторы моделей пытаются определить, что лежит в основе Стандартной модели физики элементарных частиц. Эту модель называют Стандартной, потому что она хорошо проработана и многократно проверена экспериментально, но в момент своего появления это была всего лишь догадка о том, как можно объединить все имеющиеся наблюдения в единую систему. Позже на базе Стандартной модели были сделаны проверяемые предсказания, и в конечном итоге эксперименты показали, что она верна.
В настоящее время Стандартная модель объясняет все имеющиеся наблюдения, но физики уверены, что она неполна. В частности, она оставляет открытым вопрос о том, что в точности представляют собой частицы и взаимодействия — элементы так называемого сектора Хиггса, ответственные за массы элементарных частиц — и почему частицы в этом секторе обладают именно такими массами, какими обладают. Теории, выводящие нас за пределы Стандартной модели, демонстрируют более глубокие потенциальные взаимосвязи и взаимодействия, которые могли бы дать ответы на эти вопросы. Строятся они на основе выбора конкретных фундаментальных исходных посылок и физических концепций, а также диапазонов размеров и энергий, на которых они применимы.
Значительная часть моих текущих исследований заключается в размышлениях о новых моделях, а также о новых или более прорабоанных стратегиях поиска, направленных на то, чтобы никакие новые явления не остались незамеченными. Я думаю не только о созданных на основе моих идей моделях, но и о множестве других возможностей. Специалисты по физике элементарных частиц прекрасно знают, какого типа элементы и правила могут работать в моделях—это частицы, силы и допустимые взаимодействия. Но мы не знаем в точности, без каких именно ингредиентов картина реальности получится неполной. Используя известные теоретические составляющие, мы пытаемся распознать те потенциально простые базовые идеи, на которых вырастает сложная теория.
Не менее важно и то, что модели помогают нам выявить цели для дальнейших экспериментальных исследований и предсказать, как поведут себя частицы на расстояниях, меньших, чем те, что ученым до сих пор удавалось изучить эмпирически. Результаты измерений помогают нам сделать выбор. Мы пока не знаем, какой будет новая фундаментальная теория, но уже можем судить о ее вероятных отклонениях от Стандартной модели. Рассматривая конкурирующие модели и их следствия, мы можем предсказать, что продемонстрирует нам БАК, если та или иная модель окажется верной.
Исследование моделей и их следствий помогает понять, что именно следует искать ученым. Любая модель с новыми физическими законами, справедливыми в измеримом масштабе энергий, должна предсказывать существование новых частиц и новых отношений между ними. Наблюдение за тем, какие частицы рождаются при столкновениях и какими они обладают свойствами, должно помочь в решении вопроса о том, какие вообще существуют частицы, какие у них массы и как они взаимодействуют. Обнаружение новых частиц или измерение характеристик различных взаимодействий должно подтвердить или отвергнуть предложенные ранее модели и проложить путь к созданию новых, более удачных.
Если данных будет достаточно, эксперименты определят, какая из фундаментальных моделей верна — по крайней мере на том уровне точности, расстояний и энергии, который мы в состоянии исследовать. Мы надеемся, что на самом крохотном диапазоне расстояний, который мы сможем исследовать при энергиях БАКа, правила для фундаментальной теории окажутся достаточно простыми, чтобы позволить нам вывести соответствующие физические законы.
Среди физиков идут оживленные дискуссии о том, какие именно модели следует изучать и как учитывать их в экспериментальных исследованиях. Я, к примеру, нередко сажусь за стол с коллегами–экспериментаторами, чтобы вместе разобраться, как лучше всего использовать модели для определения направления дальнейших исследований. Не являются ли слишком специфическими контрольные точки с теми или иными параметрами в конкретных моделях? Нет ли лучшего способа рассмотреть все возможности?
Эксперименты на БАКе настолько сложны, что поиск без конкретной цели ни к чему не приведет: интересные данные будут задавлены массой фоновых событий, связанных со Стандартной моделью. Экспериментальные установки разрабатывались и оптимизировались в расчете на существующие модели, но более универсальный поиск в них тоже ведется. Экспериментаторы обязательно должны представлять себе огромное количество моделей, объясняющих те или иные новые данные, которые могут появиться, — это необходимо, чтобы избежать предвзятости.
И теоретики, и экспериментаторы стараются сделать так, чтобы мы не пропустили ничего интересного. Мы не можем знать, которое из множества предположений верно (если такое есть), до тех пор, пока оно не найдет экспериментального подтверждения. Предложенные модели могут верно описывать реальность, но, даже если они окажутся ошибочными, они все же предлагают нам стратегии поиска и сообщают характеристики еще не открытых элементов. Мы надеемся, что БАК даст нам ответы — какими бы они ни были, — и мы должны быть готовы к этому.
ГЛАВА 16. БОЗОН ХИГГСА
Утром 30 марта 2010 г. я проснулась и увидела у себя в почте целый кучу электронных писем с рассказами об успешном пуске и первых столкновениях с энергией 7 ТэВ, состоявшихся накануне ночью. Этот триумф ознаменовал начало реальной программы физических исследований на БАКе. Ускорение частиц и первые столкновения, имевшие место в конце 2009 г., были скорее техническими, чем научными достижениями. Они, конечно, были важны и для экспериментаторов, которые смогли наконец откалибровать свои детекторы на настоящих протонных столкновениях в коллайдере, а не на случайных космических лучах, пролетевших сквозь установку. Следующие полтора года детекторы в Европейском центре ядерных исследований будут регистрировать реальные данные, при помощи которых физики смогут проверить свои модели или наложить на них дополнительные ограничения.
Пуск прошел почти точно по плану. Коллеги–экспериментаторы считают, что это хорошо; еще накануне они высказывали мне свои опасения и говорили, что присутствие журналистов может помешать. Журналисты (и остальные присутствующие) стали свидетелями нескольких ложных стартов — отчасти благодаря установленным на БАКе защитным механизмам, готовым выключить систему сразу же, как только хотя бы чтонибудь пойдет не так. Однако несколько часов спустя все было в порядке: пучки циркулировали по кольцу коллайдера и сталкивались, как положено; газеты и новостные вебсайты получили массу красивых картинок для публикации.
Кстати, 7 ТэВ, достигнутые при столкновениях в марте 2010 г., — это лишь половинный для БАКа энергетический уровень. Реальную целевую энергию — 14 ТэВ — не планируется задействовать еще по крайней мере несколько лет. Светимость коллайдера — число протонных столкновений в секунду — тоже была намного ниже, чем возможно. Тем не менее в тот день мы смогли поверить, что наше понимание внутренней природы вещества скоро существенно продвинется вперед. А если все пойдет хорошо, то через пару лет БАК будет остановлен, приведен в порядок и вновь запущен уже в полную силу, чтобы дать нам наконец долгожданные ответы.
Одна из важнейших целей коллайдерных исследований — понять, чему фундаментальные частицы обязаны своей массой. Пог чему все вокруг не носится со скоростью света — а именно это делало бы любое вещество, если бы оно обладало нулевой массой? Ответ на этот вопрос зависит от группы частиц, известных вместе как сектор Хиггса и включающих, в частности, бозон Хиггса. В этой главе объясняется, почему этот бозон так важен для понимания феномена возникновения масс. Следующий эксперимент на БАКе, проведенный при более высоких светимости и энергии столкновения, должен в конце концов рассказать нам все о частицах и взаимодействиях.
МЕХАНИЗМ ХИГГСА
Ни один физик не сомневается в том, что на изученных нами до сих пор энергиях Стандартная модель работает. Результаты экспериментов согласуются с ее прогнозами с высокой точностью — лучше 1%.
Однако Стандартная модель полагается на один ингредиент, которого никто пока еще не наблюдал. Механизм Хиггса, названный по имени британского физика Питера Хиггса, — единственный известный нам способ, способный последовательно придавать массы элементарным частицам. Исходя из основных положений «наивной» версии Стандартной модели, ни калибровочные бозоны, передающие взаимодействия, ни сами элементарные частицы, такие как кварки и лептоны, не должны обладать какойто ненулевой массой. Тем не менее измерения физических явлений ясно показывают, что те и другие ею обладают. Массы элементарных частиц необходимы для понимания многих явлений атомной физики и физики элементарных частиц, таких как радиус орбиты электрона в атоме или те крохотные расстояния, на которых работает слабое взаимодействие, не говоря уже о формировании структуры Вселенной. Кроме того, массы определяют, сколько энергии нужно для рождения элементарной частицы в соответствии с уравнением Е = mc2. И все же в Стандартной модели без механизма Хиггса массы частиц навсегда остались бы загадкой.
Мысль о том, что частицы не имеют изначальных прав на свои массы, звчит весьма авторитарно. Казалось бы, каждая частица должна иметь возможность выбора, иметь ей ненулевую массу покоя или нет. Однако тонкая структура Стандартной модели и любой теории взаимодействий правит твердой рукой и не оставляет своим подданным свободы выбора. Она ограничивает типы дозволенных масс. Для калибровочных бозонов объяснение звучит немного иначе, нежели для фермионов, но базовая логика в том и другом случае имеет отношение к симметриям, лежащим в основе любой теории взаимодействий.
Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, причем каждое взаимодействие связано с одним из типов симметрии. Без симметрии теория этих взаимодействий, основанная на квантовой механике и специальной теории относительности, предсказывала бы для калибровочных бозонов — частиц, ответственных за передачу взаимодействий — слишком много колебательных режимов, или мод. Если теория не включает симметрию, теоретические расчеты дают бессмысленные предсказания: к примеру, что вероятность высокоэнергетических взаимодействий выше, чем вероятность случайных колебательных мод. Ясно, что в любом точном описании природы такие нефизические частицы — частицы, которые не могут в реальности существовать, потому что колеблются не в том направлении — должны быть заранее исключены.
Можно сказать, что симметрии действуют как спам–фильтры или, может быть, скорее как контроль качества. В любой теории взаимодействий симметрии действуют как фильтры и отбрасывают те элементы, которые неправильно себя ведут. Дело в том, что взаимодействия между нежелательными частицами не уважают симметрий, тогда как частицы, взаимодействующие с сохранением необходимых симметрий, колеблются, как надо. Таким образом, симметрии гарантируют, что теоретические прогнозы касаются только физических частиц, а потому имеют смысл и должны совпадать с результатами экспериментов.
Исходя из вышесказанного симметрии позволяют сформулировать теорию взаимодействий более тонко. Вместо того чтобы исключать в каждом расчете нефизические режимы по одному, симметрии одним широким взмахом исключают из расчета сразу все нефизические частицы. Любая теория с симметричными взаимодействиями рассматривает только физические колебательные режимы, поведение которых, собственно, мы и хотим описать.
Все это замечательно работает в любой теории взаимодействий, где переносчики этих взаимодействий имеют нулевую массу покоя. В симметричных теориях все предсказания в отношении высокоэнергетических взаимодействий имеют смысл, а участвуют в них только физические, то есть реально существующие в природе, колебания. Для безмассовых калибровочных бозонов задача высокоэнергетических взаимодействий решается относительно просто, потому что ограничения соответствующей симметрии устраняют из теории все нефизические, неправильно ведущие себя колебания.
Таким образом, симметрии решают одновременно две задачи: устранение нефизических колебаний и связанных с ними некорректных прогнозов.
Однако калибровочный бозон с ненулевой массой обладает дополнительным физическим — существующим в природе — режимом колебаний. Именно к этой категории относятся калибровочные бозоны, передающие слабое взаимодействие. Симметрии устранили бы слишком большую долю их колебательных режимов. Без какогото нового, дополнительного ингредиента массы слабых бозонов никак не укладываются в Стандартную модель с ее симметриями. Для калибровочных бозонов с ненулевыми массами мы вынуждены учитывать неправильно ведущие себя колебания, а это значит, что решение задачи о высокоэнергетических взаимодействиях перестает быть таким уж простым. Чтобы теория давала разумные прогнозы, необходимо чтото еще.
Далее, ни одна из элементарных частиц Стандартной модели без учета модели Хиггса не может обладать ненулевой массой и соответствовать при этом всем симметриям теории взаимодействий. В присутствии симметрий, связанных с взаимодействиями, кварки и лептоны в безхиггсовской Стандартной модели тоже не могли бы обладать ненулевыми массами.
В главе 14 мы представили таблицу, в которой присутствуют как левые, так и правые фермионы — частицы, которые становятся парными при ненулевых массах. Кварки или лептоны, обладающие ненулевыми массами, порождают взаимодействия, которые превращают левые фермионы в правые. Но, чтобы левые и правые фермионы способны были превращаться друг в друга, те и другие должны участвовать в одних и тех же взаимодействиях. В то же время эксперименты показывают, что слабое взаимодействие иначе действует на левые фермионы, чем на правые, в которые могут превращаться массивные кварки и лептоны. Такое нарушение пространственной симметрии при первом знакомстве кажется поразительным. В конце концов, остальные известные законы природы не различают левое и правое. Но эта замечательная особенность — то, что слабое взаимодействие по–разному относится к левому и правому — была продемонстрирована экспериментально и представляет собой существенную характеристику Стандартной модели.
Тот факт, что левые и правые кварки и лептоны взаимодействуют по–разному, говорит о том, что без дополнительного ингредиента ненулевые массы кварков и лептонов никак не согласуются с известными физическими законами. Эти ненулевые массы связали бы частицы, несущие слабый заряд, с частицами, такого заряда не несущими.
Иными словами, поскольку слабый заряд несут только левые частицы, он может теряться. Судя по всему, заряд при этом уходит в вакуум — пространство, не содержащее никаких частиц. Вообщето, такого происходить не должно. Заряды должны сохраняться. Если заряд может появляться и исчезать, симметрии, связанные с соответствующим взаимодействием, оказываются нарушенными — и у нас вновь появятся причудливые вероятностные прогнозы высокоэнергетических взаимодействий калибровочных бозонов. Заряды не должны волшебным образом появляться и исчезать, если вакуум на самом деле пуст и не содержит ни частиц, ни полей.
Но заряды вполне могут появляться и исчезать, если вакуум на самом деле не пуст, а содержит поле Хиггса, которое придает ему слабый заряд. Поле Хиггса, даже если оно придает вакууму заряд, не состоит из реальных частиц. По существу, это распределение слабого заряда в пределах Вселенной, возникающее только тогда, когда само поле приобретает ненулевую величину. Когда поле Хиггса отлично от нуля, дело обстоит так, как будто Вселенная имеет неограниченные запасы слабого заряда. Представьте, что вы располагаете неограниченным источником денег. Вы можете раздавать деньги или брать их себе, и в вашем распоряжении по–прежнему будет оставаться неограниченная сумма. Примерно так же поле Хиггса насыщает вакуум неограниченным слабым зарядом. При этом оно нарушает симметрии, связанные с взаимодействиями, и позволяет зарядам уходить в вакуум и извлекаться из него, в результате чего возникают массы частиц.
Один из способов представить себе механизм Хиггса и происхождение масс состоит в том, что этот механизм позволяет вакууму вести себя подобно вязкой жидкости — полю Хиггса, пронизывающему вакуум, — несущей слабый заряд. Частицы, несущие этот заряд, такие как слабые калибровочные бозоны, а также кварки и лептоны Стандартной модели, могут взаимодействовать с этой «жидкостью», и это взаимодействие замедляет частицы. Такое замедление говорит об обретении частицами массы — ведь безмассовые частицы путешествуют сквозь вакуум со скоростью света.
Этот тонкий процесс, посредством которого элементарные частицы обретают массу, известен как механизм Хиггса. Он говорит нам не только о том, как частицы обретают массу, но и о свойствах этих масс. Механизм Хиггса объясняет, к примеру, почему одни частицы тяжелые, а другие — легкие. Дело в том, что у частиц, сильнее взаимодействующих с полем Хиггса, масса больше, а у тех, которые взаимодействуют слабее, масса меньше. Истинный, или t–кварк, самый тяжелый из всех, взаимодействует сильнее остальных. Электрон или u–кварк, обладающие небольшой массой, взаимодействуют намного слабее.
Механизм Хиггса позволяет также глубоко заглянуть в природу электромагнетизма и фотоно, которые передают это взаимодействие. Механизм Хиггса говорит нам, что массу обретают только те переносчики взаимодействия, которые взаимодействуют с распределенным в вакууме слабым зарядом. Калибровочные W- и –бозоны взаимодействуют с этим зарядом и потому обладают неисчезающей массой. Однако поле Хиггса, насыщающее вакуум и несущее слабый заряд, электрически нейтрально. Фотон не взаимодействует со слабым зарядом, и его масса остается нулевой. Таким образом, фотон — исключение.
Без механизма Хиггса в природе было бы три безмассовых слабых калибровочных бозона и еще один переносчик взаимодействия (тоже с нулевой массой), известный как гиперзарядный калибровочный бозон, и никто и никогда не стал бы вообще говорить о фотоне. Но в присутствии поля Хиггса только уникальная комбинация гиперзарядного калибровочного бозона и одного из трех слабых калибровочных бозонов не взаимодействует с зарядом в вакууме — и именно эта комбинация представляет собой фотон, передающий электромагнитное взаимодействие. Отсутствие у фотона массы имеет принципиальное значение для многих важных явлений, представляющих собой следствие электромагнетизма. Безмассовость фотона объясняет, почему радиоволны распространяются на гигантские расстояния, тогда как слабое взаимодействие ограничено расстояниями крохотными. Поле Хиггса несет слабый заряд, но не несет электрического. Поэтому фотон имеет нулевую массу и путешествует со скоростью света по определению, тогда как переносчики слабого взаимодействия массивны.
Не запутайтесь: фотоны — элементарные частицы. Но в определенном смысле первоначальные калибровочные бозоны были идентифицированы неверно, потому что они не соответствовали никаким физическим частицам, которые имеют определенные массы (возможно, нулевые) и проходят сквозь вакуум беспрепятственно. До тех пор пока нам не известны слабые заряды, распределенные по вакууму посредством механизма Хиггса, мы никак не можем определить, какие частицы обладают ненулевыми массами, а какие нет. В соответствии с зарядами, полученными вакуумом через механизм Хиггса, гиперзарядный калибровочный бозон и слабый калибровочный бозон при движении сквозь вакуум то и дело превращаются друг в друга, и мы не можем приписать ни одному из них определенной массы. С учетом слабого заряда вакуума можно утверждать, что только фотон и –бозон проходят сквозь вакуум, не меняя своей сущности, причем –бозон приобретает массу, а фотон — нет. Таким образом, механизм Хиггса делает исключение для одной конкретной частицы под названием «фотон» и для одного конкретного типа заряда — электрического, который фотон переносит.
Таким образом, механизм Хиггса объясняет, почему из всех переносчиков взаимодействий только фотон имеет нулевую массу. Он объясняет и еще одно свойство массы. Этот урок немного тоньше, но он дает нам возможность глубоко разобраться в том, почему механизм Хиггса допускает массы, которые хорошо согласуются с разумными высокоэнергетическими предсказаниями. Если представить себе поле Хиггса как жидкость, то можно вообразить, что при определении массы частиц плотность этой жидкости также имеет значение. А если мы представим эту плотность как результат действия зарядов, расположенных на фиксированных расстояниях, то получится, что одни частицы пролетают настолько маленькие расстояния, что никогда не встречаются со слабым зарядом, — они движутся так, как если бы обладали нулевой массой; частицы же, проходящие большие расстояния, неизбежно сталкиваются со слабыми зарядами и замедляются.
Все вышесказанное соответствует тому факту, что механизм Хиггса связан со спонтанным нарушением симметрии, связанной со слабым взаимодействием, а это нарушение симметрии связано с определенным масштабом.
Спонтанное нарушение симметрии возникает в тех случаях, когда симметрия присутствует в законах природы — как в теории фундаментальных взаимодействий, — но нарушается в реальном состоянии системы. Как мы уже говорили, симметрии должны существовать по причинам, связанным с высокоэнергетическим поведением частиц в этой теории. Тогда единственное решение заключается в том, что симметрии существуют, однако спонтанно нарушаются, чтобы слабый калибровочный бозон мог обладать массой, но избегать при этом «неправильного» поведения при высоких энергиях.
Механизм Хиггса основан на представлении о том, что симметрия на самом деле — это часть теории. Законы природы предполагают симметрию. Но реальное состояние окружающего мира игнорирует ее. Вообразите себе карандаш, который сначала стоит торчком (симметрично), а потом падает, выбирая тем самым одно определенное направление. Пока карандаш стоял, все направления для него были одинаковы, но при его падении симметрия нарушается. Таким образом, лежащий карандаш спонтанно нарушает симметрию, которая для стоящего карандаша соблюдалась.
Точно так же механизм Хиггса спонтанно нарушает симметрию слабого взаимодействия. Это означает, что законы физики предусматривают симметрию, но для вакуума, насыщенного зарядом слабого взаимодействия, симметрия нарушается. Поле Хиггса, пронизывающее Вселенную несимметричным образом, нарушает симметрию слабого взаимодействия, которая без него соблюдалась бы, и позволяет элементарным частицам обзаводиться массой.
Помещая в вакуум некий заряд, механизм Хиггса нарушает симметрию, связанную со слабым взаимодействием, причем делает это на определенном масштабе. Этот масштаб задается распределением слабых зарядов в вакууме. На высоких энергиях или на маленьких расстояниях частицы не встречают никаких слабых зарядов и потому ведут себя как безмассовые. Это означает, что на маленьких расстояниях (или на высоких энергиях, что эквивалентно) симметрия, судя по всему, соблюдается. Однако на больших расстояниях слабый заряд действует в некоторых отношениях как сила трения и замедляет частицы. Похоже, что поле Хиггса придает частицам массу только на низких энергиях, то есть на относительно больших расстояниях.
Именно это нам и нужно. Опасные взаимодействия, которые не имели бы смысла для массивных частиц, применимы только на высоких энергиях. На низких энергиях частицы могут — и должны, как показывают эксперименты — обладать массой. Механизм Хиггса, спонтанно нарушающий симметрию слабого взаимодействия, — единственный известный нам способ обеспечить такое положение вещей.
Хотя мы до сих пор не видели частиц, ответственных за механизм Хиггса, который, в свою очередь, отвечает за массы элементарных частиц, у нас имеются экспериментальные свидетельства того, что механизм Хиггса в природе существует. Его действие мы много раз наблюдали в совершенно ином контексте: а именно в сверхпроводящих материалах. Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны образуют пары и эти пары пронизывают весь материал. Так называемый конденсат в сверхпроводниках состоит из электронных пар, играющих ту же роль, что и поле Хиггса в приведенном выше примере.
Но в сверхпроводнике конденсат переносит не слабый заряд, а электрический. То есть конденсат как бы придает массу фотону, который передает электромагнитное взаимодействие внутри сверхпроводника. Масса экранирует заряд; это значит, что внутри сверхпроводящего материала электрическое и магнитное поля далеко не распространяются, а силы спадают очень быстро на коротких расстояниях. Квантовая механика и специальная теория относительности утверждают, что расстояние экранирования внутри сверхпроводника есть прямое следствие фотонной массы, которая существует только в сверхпроводящем субстрате. В этих материалах электрические поля не могут проникать дальше, чем на расстояние экранирования, потому что фотон, отражаясь от пронизывающих сверхпроводник электронных пар, обретает массу.
Механизм Хиггса работает аналогичным образом[52]. Но вместо электронных пар (несущих электрический заряд), пронизывающих вещество, мы говорим здесь о поле Хиггса (несущем слабый заряд), пронизывающем вакуум. А вместо фотона и его массы экранирующей электрический заряд, речь идет о слабых калибровочных бозонах и их массах, экранирующих слабый заряд. Слабые калибровочные бозоны обладают ненулевой массой, поэтому слабое взаимодействие эффективно лишь на очень малых субъядерных расстояниях.
Поскольку это единственный непротиворечивый способ объяснить существование массы у слабых калибровочных бозонов, физики уверены, что механизм Хиггса в природе действует. И мы считаем его ответственным не только за массы слабых калибровочных бозонов, но и за массы всех вообще элементарных частиц. У нас нет никакой другой непротиворечивой теории, которая позволила бы частицам Стандартной модели, несущим слабый заряд, обладать массой.
Вы преодолели очень сложный раздел книги, содержащий несколько абстрактных концепций. Представление о механизме Хиггса и поле Хиггса неразрывно связано с квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц и далеко от любых явлений, которые человек может хотя бы вообразить. Поэтому позвольте мне еще раз коротко сформулировать некоторые основные положения. Если бы механизма Хиггса не было, мы вынуждены были бы отказаться либо от признания масс элементарных частиц, либо от обоснованных предсказаний, связанных с высокими энергиями. Но и то и другое представляет собой важную часть верной теории. Предлагаемое решение состоит в том, что законы природы предусматривают симметрию, но она может спонтанно нарушаться изза ненулевой величины поля Хиггса. Нарушение симметрии вакуума позволяет элементарным частицам иметь ненулевую массу. Однако поскольку спонтанное нарушение симметрии связано с определенным диапазоном энергий (и расстояний), его действие сказывается только при низких энергиях. Речь идет об энергиях, соответствующих массам элементарных частиц, и о более низких энергиях (и, соответственно, о расстояниях, характерных для слабого взаимодействия и больших). Для этих энергий и масс действие гравитации пренебрежимо мало, и Стандартная модель (с учетом масс) верно описывает измерения в физике элементарных частиц. В то же время симметрия, предусмотренная законами природы, позволяет строить разумные высокоэнергетические прогнозы. Плюс к тому механизм Хиггса объясняет нулевую массу фотона как результат его невзаимодействия с пронизывающим Вселенную полем Хиггса.
Однако, хотя теоретически все это выглядит последовательно и логично, экспериментальные доказательства изложенных выше идей нам еще только предстоит получить. Даже Питер Хиггс признал важность подобной проверки. В 2007 г. он сказал, что математические построения кажутся ему очень убедительными, но «если это не подтверждено экспериментально, то это просто игра; все это необходимо проверить». Мы считаем предложенную Питером Хиггсом гипотезу верной, а потому ожидаем в самые ближайшие годы интереснейших открытий. Доказательства должны появиться на БАКе в виде одной или нескольких частиц; в простейшем варианте доказательством стала бы частица, известная как бозонХиггса, илихиггс.
ПОИСК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ
«Хиггс» означает не только человека и механизм, но и название предполагаемой частицы. Бозон Хиггса — ключевое недостающее звено Стандартной модели[53]. Это признак существования механизма Хиггса, который мы надеемся обнаружить в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Его открытие подтвердило бы теоретические построения и показало бы, что поле Хиггса действительно пронизывает вакуум. У нас есть серьезные основания считать, что механизм Хиггса действует во Вселенной — ведь никто не может без него сконструировать скольконибудь разумную теорию, которая объясняла бы массы элементарных частиц. Мы также считаем, что в самом скором времени должны появиться и какието экспериментальные доказательства в пользу наших теоретических построений, поскольку БАК вот–вот должен начать эксперименты на соответствующем масштабе энергий. Скорее всего, этим доказательством будет бозон Хиггса.
Отношения между полем Хиггса, составляющим часть механизма Хиггса, и бозоном Хиггса, который представляет собой реальную частицу, достаточно сложны, но очень напоминают отношения между электромагнитным полем и фотоном. Вы можете ощутить действие классического магнитного поля, просто поднеся магнит к холодильнику, хотя никаких реальных физических фотонов при этом не возникает. Классическое поле Хиггса — поле, существующее даже при отсутствии квантовых эффектов — пронизывает все пространство и может принимать ненулевое значение, оказывая, таким образом, влияние на массы частиц. Но ненулевое значение поля может возникать и в том случае, когда реальных частиц в пространстве нет.
Однако если чтонибудь «заденет» поле, то есть передаст ему немного энергии, то эта энергия может породить флуктуации поля, которые, в свою очередь, приведут к рождению частицы. Если речь идет об электромагнитном поле, родится фотон. Если речь идет о поле Хиггса, родится бозон Хиггса. Поле Хиггса пронизывает пространство и отвечает за нарушение электрослабой симметрии. Частица Хиггса, с другой стороны, возникает из поля Хиггса везде, где есть энергия: к примеру, в БАКе. О том, что поле Хиггса существует, свидетельствует существование массы у элементарных частиц само по себе. Открытие бозона Хиггса на БАКе усилило нашу убежденность в том, что за происхождение этой массы отвечает именно механизм Хиггса.
Иногда пресса — а вслед за ней и публика, падкая на громкие и интригующие названия — называет бозон Хиггса «частицей Бога». Репортерам нравится это название, потому что на него обращают внимание; именно поэтому, кстати, это случайное выражение в устах физика Леона Ледермана было подхвачено с таким энтузиазмом. Бозон Хиггса — замечательное открытие, но его «псевдоним» не стоит воспринимать всерьез.
Возможно, это прозвучит излишне наукообразно, но существование новой частицы, играющей роль бозона Хиггса, очень солидно обосновано. Помимо изложенного выше теоретического обоснования, этого требует структура Стандартной модели. Представьте, что фундаментальная теория предусматривала бы массивные частицы, а механизма Хиггса для объяснения массы не существовало. В этом случае, как объяснялось в начале главы, предсказания для высокоэнергетических взаимодействий выглядели бы абсурдно — в них появлялись бы даже вероятности больше единицы. Разумеется, мы не можем верить таким предсказаниям. Стандартная модель без дополнительных структур неизбежно оказалась бы неполной. Единственный выход — введение дополнительных частиц и взаимодействий.
Теория с участием бозона Хиггса аккуратно обходит проблемы высокоэнергетических прогнозов. Взаимодействия с бозоном Хиггса не только изменяют прогноз для высокоэнергетических взаимодействий, но полностью устраняют «неправильное» поведение частиц на высоких энергиях. Разумеется, это не просто совпадение. Это именно то, что гарантирует механизм Хиггса. Мы пока не знаем наверняка, верно ли мы предсказываем реальные следствия действия механизма Хиггса, но физики уверены, что в масштабе слабого взаимодействия должна появиться новая частица или несколько частиц.
Исходя из этих соображений, мы уверены, что новые частицы или взаимодействия, «спасающие» теорию, не могут быть слишком тяжелыми или происходить при слишком высоких энергиях. При отсутствии дополнительных частиц некорректные предсказания появляются уже на энергиях около 1 ТэВ. Поэтому можно сказать, что бозон Хиггса (или чтото иное, что играет ту же роль) не только существует, но и должен быть достаточно легким, чтобы попасть в пределы доступных БАКу энергий. Точнее говоря, расчеты показывают: чтобы Стандартная модель не давала некорректных предсказаний для высокоэнергетических взаимодействий, необходимо, чтобы масса бозона Хиггса не превосходила 800 ГэВ.
В реальности мы ожидаем, что бозон Хиггса окажется заметно легче этого показателя. Существующие теории тяготеют к относительно легкому бозону Хиггса — большая часть теоретических предоложений указывает на массу, лежащую лишь чуть выше предела, достигнутого в экспериментах 1990–х гг. на LEP, то есть чуть выше 114 ГэВ. Если бы бозон Хиггса был легче названной величины, его можно было бы получить и обнаружить на LEP, и многие в то время думали, что стоят на пороге открытия. Сегодня большинство физиков считает, что масса бозона Хиггса должна быть очень близка к этой величине и, по всей видимости, не превосходит 140 ГэВ.
Самый весомый аргумент в пользу легкого бозона Хиггса основан на экспериментальных данных — не только на результатах поиска самого бозона, но и на результатах измерения других величин Стандартной модели. Предсказания Стандартной модели очень хорошо согласуются с результатами измерений, и даже небольшие отклонения могли бы нарушить эту согласованность. Бозон Хиггса влияет на предсказания Стандартной модели через квантовые эффекты. При слишком тяжелом бозоне Хиггса эти эффекты были бы слишком велики, и согласованность между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями нарушалась бы.
Напомню, что согласно квантовой механике в любом взаимодействии принимают участие и виртуальные частицы. Они появляются на краткий миг и исчезают вновь, какое бы начальное состояние вы ни выбрали, и вносят свой вклад в итоговое взаимодействие. Так что хотя многие процессы Стандартной модели проходят вообще без участия бозона Хиггса, обмен частицей Хиггса тем не менее влияет на все предсказания в рамках Стандартной модели, такие как скорость распада калибровочного –бозона на кварки и лептоны и отношение масс W- и –бозонов. Влияние виртуальных эффектов Хиггса на эти точные электрослабые измерения зависит от массы бозона Хиггса. При этом оказывается, что предсказания хорошо согласуются с экспериментом только в том случае, если масса бозона Хиггса не слишком велика.
Вторая (более умозрительная) причина считать, что бозон Хиггса должен оказаться не слишком тяжелым, имеет отношение к теории так называемой суперсимметрии, к которой мы вскоре обратимся. Многие физики считают, что суперсимметрия реально существует в природе, и исходя из этой теории масса бозона Хиггса должна быть близка к измеренной массе калибровочного –бозона, то есть относительно невелика.
Учитывая предположение о том, что бозон Хиггса не слишком тяжел, можно задать вопрос: почему мы видели все частицы Стан-, дартной модели, но никогда не видели бозона Хиггса. Все дело в его свойствах. Даже если масса частицы невелика, мы ее не увидим до тех пор, пока не сумеем получить на коллайдере и зарегистрировать. А наша способность сделать это определяется свойствами этой частицы. В конце концов, частицу, которая вообще ни с чем не взаимодействует, никто никогда не увидит, какой бы легкой она ни была.
Мы немало знаем о том, как должны выглядеть взаимодействия бозона Хиггса, потому что бозон Хиггса и поле Хиггса, хоть это и разные вещи, похоже взаимодействуют с другими элементарными частицами. А о взаимодействиях поля Хиггса с элементарными частицами мы можем судить по массам этих частиц. Поскольку механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, мы можем сказать, что поле Хиггса сильнее всего взаимодействует с самыми тяжелыми частицами. А поскольку бозон Хиггса возникает из поля Хиггса, мы можем сказать то же и о его взаимодействиях. Бозон Хиггса, как и поле Хиггса, сильнее взаимодействует с теми частицами Стандартной модели, которые обладают наибольшей массой.
Более сильное взаимодействие между бозоном Хиггса и тяжелыми частицами подразумевает, что для получения бозона Хиггса лучше всего было бы начать с тяжелых частиц и их столкновений. К несчастью, в коллайдерах мы не можем начать с тяжелых частиц.
Представьте, как в БАКе могли бы возникнуть бозон Хиггса или, вообще говоря, любая частица. В столкновениях на БАКе участвуют легкие частицы. Судя по небольшой массе, с частицей Хиггса они взаимодействуют так слабо, что если бы в рождении бозона Хиггса не участвовали никакие другие частицы, то возникал бы он слишком редко, чтобы мы могли его обнаружить на любом из наших коллайдеров.
К счастью, квантовая механика предлагает нам и другие варианты. Бозон Хиггса незаметно рождается в коллайдерах с участием тяжелых виртуальных частиц. При столкновении легких кварков могут родиться тяжелые частицы, которые затем испустят бозон Хиггса. К примеру, легкие кварки могут при столкновении породить виртуальный W–бозон, первый в ряду калибровочных бозонов. Эта виртуальная частица может затем излучить бозон Хиггса (схему этого процесса можно увидеть на первой схеме рис. 51). Поскольку виртуальный W–бозон намного тяжелее и верхнего, и нижнего кварков в составе протона, с бозоном Хиггса он взаимодействует соответственно сильнее. При достаточном количестве протонных столкновений именно так должен рождаться хиггс.
Другой вариант рождения бозона Хиггса реализуется, когда кварки испускают два виртуальных слабых калибровочных бозона, которые затем сталкиваются и порождают один бозон Хиггса, как можно видеть на второй схеме рис. 51. В этом случае хиггс возникает вместе с двумя струями, которые формируются вокруг кварков, разлетающихся после появления калибровочных бозонов. И этот, и предыдущий механизм порождают не только бозоны Хиггса, но и другие частицы. В первом случае Хиггс рождается в связке с калибровочным бозоном. Во втором — а для БАКа он имеет большее значение — бозон Хиггса возникает вместе со струями.
Но бозоны Хиггса могут рождаться и сами по себе. Это происходит, когда сталкиваются глюоны, порождая истинный кварк и его антикварк, которые затем аннигилируют с образованием бозона Хиггса, как можно увидеть на третьей схеме. На самом деле истинные кварк и антикварк — частицы виртуальные и живут недолго, но квантовая механика утверждает, что этот процесс происходит довольно часто — ведь истинный кварк активно взаимодействует с хиггсом. Этот механизм возникновения частицы, в отличие от двух первых, не оставляет никаких следов, кроме следа непосредственно бозона Хиггса, который затем распадается.
РИС. 51. Три модели рождения бозона Хиггса (сверху вниз): излучение Хиггса, WZ–синтез, глюон–глюонный синтез
Так что, несмотря на то что сам хиггс не обязательно слишком уж тяжел — по массе он, скорее всего, сравним со слабыми калибровочными бозонами и уступает истинному кварку, — в его рождении, вероятно, должны быть задействованы тяжелые частицы, такие как калибровочные бозоны или истинные кварки. Поэтому высокоэнергетические столкновения (к примеру, в БАКе) и, разумеется, громадная их частота создают прекрасные условия для возникновения бозонов Хиггса.
Но, несмотря на то что хиггсы в БАКе должны возникать с достаточно высокой частотой, для их наблюдения и регистрации существует еще одно серьезное препятствие — характер распада этих частиц. Бозон Хиггса, подобно многим другим тяжелым частицам, нестабилен. Обратите внимание: распадается именно частица Хиггса, а никак не поле. Поле Хиггса пронизывает вакуум и придает массу элементарным частицам; оно никуда не пропадает. А вот бозон Хиггса — это реальная элементарная частица, обнаружимое следствие работы механизма Хиггса. Подобно другим частицам, она может возникать в коллайдере. И точно так же, подобно другим нестабильным частицам, не может жить вечно. Поскольку распад хиггса происходит практически мгновенно, единственный способ обнаружить эту частицу— это зарегистрировать продукты ее распада.
Бозон Хиггса распадается на частицы, с которыми он способен взаимодействовать, а именно — на любые частицы, приобретающие массу через механизм Хиггса и достаточно легкие, чтобы на их образование хватило энергии. Когда при распаде бозона Хиггса рождаются частица и соответствующая ей античастица, масса каждой из них должна составлять меньше половины его массы, чтобы не нарушался закон сохранения энергии. При этом чаще всего частица Хиггса будет распадаться на самые тяжелые частицы, на которые сможет при этом условии. Но это, к сожалению, оначает, что относительно легкий бозон Хиггса лишь изредка распадается на те частицы, которые можно без труда обнаружить и распознать.
Если бозон Хиггса, вопреки ожиданиям, окажется действительно тяжелым — вдвое с лишним тяжелее, чем W–бозон (но менее чем вдвое тяжелее истинного кварка), то искать его будет относительно несложно. Тяжелый хиггс будет практически всегда распадаться на пару W- или –бозонов (на рис. 52 показана схема распада на W–бозоны). Экспериментаторы знают, как распознать получившиеся при этом частицы, так что бозон Хиггса можно будет обнаружить без большого труда.
РИС. 52. Тяжелый бозон Хиггса может распадаться на пару калибровочных W–бозонов
Следующий наиболее вероятный сценарий распада относительно тяжелого бозона Хиггса должен проходить с участием красивого кварка и соответствующей ему античастицы. Однако частота такого распада была бы намного меньше, потому что масса красивого кварка невелика, и поэтому он гораздо слабее взаимодействует с бозоном Хиггса, чем калибровочный W–бозон. Если хиггс достаточно тяжел, чтобы распадаться на W–бозоны, он будет давать при распаде красивые кварки меньше чем в одном случае из ста. Распад на еще более легкие частицы будет происходить еще реже. Так что если бозон Хиггса все же окажется достаточно тяжелым — тяжелее, чем мы ожидаем, — он будет распадаться на слабые калибровочные бозоны.· А регистрировать такие распады относительно несложно.
Однако, как уже говорилось ранее, и теория, и экспериментальные данные Стандартной модели говорят нам, что бозон Хиггса, скорее всего, окажется более легким и не сможет распадаться на слабые калибровочные бозоны. В этом случае наиболее частым вариантом будет распад на красивый кварк и его античастицу — красивый антикварк (рис. 53), — а этот распад зарегистрировать гораздо сложнее. С одной стороны, проблема состоит в том, что при столкновении протонов рождается множество активно взаимодействующих кварков и глюонов, которые легко можно спутать с небольшим количеством красивых кварков, родившихся при гипотетическом распаде бозона Хиггса. Мало того, в БАКе будет возникать так много истинных кварков, что их распад с образованием красивых кварков тоже будет маскировать сигнал от бозона Хиггса. Теоретики и экспериментаторы сейчас ищут способ надежно регистрировать финальную стадию распада хиггса в виде красивых кварка и антикварка. Тем не менее, несмотря на максимальную частоту, это, вероятно, не самый перспективный режим для поиска хиггса в БАКе, хотя теоретики и экспериментаторы, скорее всего, найдут способ воспользоваться и этим вариантом.
Читать бесплатно другие книги:
